用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外光譜技術(shù)是一種直接探測(cè)分子振動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行特征識(shí)別及定量分析的技術(shù)及方法。該技術(shù)具有高度的“指紋”特征性，無(wú)需樣品標(biāo)記，響應(yīng)速度快，儀器普及率最高，光譜圖庫(kù)最齊全等優(yōu)點(diǎn)，是確定分子組成、構(gòu)象和結(jié)構(gòu)變化信息的強(qiáng)力工具和不可或缺的手段，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、化學(xué)組成分析、爆炸物檢測(cè)和生物醫(yī)療等關(guān)系國(guó)計(jì)民生及國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的重要領(lǐng)域。
[0003]紅外輻射包含豐富的客觀信息，其探測(cè)倍受關(guān)注。紅外探測(cè)器已覆蓋短波、中波與長(zhǎng)波范圍，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其探測(cè)原理是利用材料的光電轉(zhuǎn)換性能，將紅外輻射的光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，與外電路相結(jié)合達(dá)到檢測(cè)紅外光信號(hào)的目標(biāo)。
[0004]石墨烯是單層碳原子構(gòu)成的二維晶體，單層石墨的厚度約0.35nm。當(dāng)前，十層以下的石墨均被看作為石墨烯。具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)特性，在電子器件和光電器件領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力?，F(xiàn)有石墨烯基光電傳感器不但具有探測(cè)光譜范圍寬、響應(yīng)度高、速度快和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，且易與現(xiàn)有硅基CMOS集成電路工藝相兼容，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本傳感器陣列的生產(chǎn)。到目前為止，石墨烯基光電探測(cè)器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用熱電效應(yīng)、金屬激子結(jié)構(gòu)、石墨烯激子或者為微腔結(jié)構(gòu)等。
[0005]表面增強(qiáng)紅外吸收光譜技術(shù)(Surface-Enhanced Infrared Absorpt1n)能夠顯著增強(qiáng)被測(cè)分子的紅外光譜吸收特征，使分子光譜的靈敏度和準(zhǔn)確性大幅度提高，已逐漸成為探測(cè)微量和單層分子特征、表征精細(xì)分子結(jié)構(gòu)有效的測(cè)試分析工具。然而目前該技術(shù)存在增強(qiáng)波段十分狹窄、探測(cè)能力受到極大限制、重復(fù)性有待提高的缺陷，不具備微量分子檢測(cè)的普遍意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件，包括:自下而上依次設(shè)置的襯底、電介質(zhì)層、石墨烯層、源極與漏極金屬層，以及待檢測(cè)物質(zhì)；其中，所述襯底同時(shí)作為柵極，所述電介質(zhì)層沉積在所述襯底上，石墨烯層覆蓋于電介質(zhì)層之上，源極與漏極金屬層沉積在石墨烯層上，源極與漏極金屬層由石墨烯導(dǎo)通，襯底與石墨烯層之間夾著電介質(zhì)層，構(gòu)成類似平行板電容器結(jié)構(gòu)；所述源極與漏極金屬層之間的石墨烯層的局部區(qū)域具有周期性微納米結(jié)構(gòu)；所述周期性微納米結(jié)構(gòu)包含多個(gè)連續(xù)縱剖面為臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)，所述臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)的邊緣在紅外光激發(fā)下產(chǎn)生局域等離激元，所述待測(cè)材料層設(shè)置以覆蓋所述臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)；所述電介質(zhì)層的材料選自:NaCl，KBr, Csl, CsBr, MgF2，CaF2，BaF2，LiF, AgBr, AgCl，ZnS, ZnSe, KRS-5, AMTIR1-6，Diamond，Si02。
[0007]優(yōu)選地，所述臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)為盲孔或通孔的結(jié)構(gòu)。
[0008]優(yōu)選地，所述通孔或盲孔的橫向切面為圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長(zhǎng)方形、五角形結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選地，所述圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長(zhǎng)方形、五角形結(jié)構(gòu)的孔徑為 10-1000nm。
[0010]優(yōu)選地，所述電介質(zhì)層的厚度范圍為:10-1000nm。
[0011]優(yōu)選地，所述的石墨烯等離激元器件的制備方法，按照如下步驟:
[0012](1)制備電介質(zhì)層:利用電子束蒸鍍、原子沉積或分子束外延生長(zhǎng)的方法在襯底上制備電介質(zhì)層薄膜作為無(wú)紅外活性的介電基底；
[0013](2)制備石墨烯薄膜:通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝或者化學(xué)氣相沉積法獲取石墨烯薄膜；
[0014](3)轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜:將剝離的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到上述制備的介電基底上；
[0015](4)利用紫外光刻、電子束曝光、納米壓印結(jié)合等離子刻蝕，制備石墨烯微納米結(jié)構(gòu)；
[0016](5)制作源極與漏極金屬層:利用紫外光刻、原子沉積或分子束外延生長(zhǎng)的方法制備電極；
[0017](6)將待測(cè)物質(zhì)均勻制備至石墨烯微納米結(jié)構(gòu)的表面。
[0018]優(yōu)選地，所述臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)為通孔或盲孔的結(jié)構(gòu)。
[0019]優(yōu)選地，通孔或盲孔的橫向切面為圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長(zhǎng)方形、五角形結(jié)構(gòu)。
[0020]優(yōu)選地，其中圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長(zhǎng)方形、五角形結(jié)構(gòu)的孔徑為 10-1000nm。
[0021]應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說(shuō)明】
[0022]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0023]圖1為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖。
[0024]圖2a_2g為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件周期性微納米結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3a_3b為本發(fā)明的石墨烯微納米結(jié)構(gòu)的縱向剖面放大圖。
[0026]圖4為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜檢測(cè)的石墨烯等離激元器件的制備方法流程圖。
[0027]所述附圖僅為示意性的并且未按比例畫(huà)出。雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這里所描述的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0028]通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0029]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0030]本發(fā)明的一種用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖如圖1所示。
[0031]所述石墨烯等離激元器件100包括自下而上依次設(shè)置的襯底101、電介質(zhì)層102、石墨稀層103、源極104與漏極金屬層105。所述襯底101為娃襯底，襯底同時(shí)作為柵極，電介質(zhì)層102沉積在襯底101上，石墨稀層103覆蓋于電介質(zhì)層102之上，源極與漏極金屬層沉積在石墨稀層上，源極與漏極金屬層由石墨稀導(dǎo)通，襯底101與石墨稀層105之間夾著電介質(zhì)層102，構(gòu)成類似平行板電容器結(jié)構(gòu)，源極104、漏極105與襯底101也構(gòu)成類似平行板電容器結(jié)構(gòu)，可以對(duì)石墨烯層進(jìn)行摻雜。所述石墨烯層103上至少源極104與漏極105之間的局部區(qū)域的石墨烯層上具有周期性微納米結(jié)構(gòu)。如圖2a-2g所示，所述石墨烯微納米結(jié)構(gòu)為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，所述臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)在石墨烯等離激元器件的橫切方向上呈圓環(huán)、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長(zhǎng)方形、五角形的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的直徑范圍為在10-1000nm。以圖2a為例，在石墨烯層201上刻蝕圓環(huán)狀通孔202，以形成石墨烯微納米結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)的邊緣能夠產(chǎn)生等離激元，待測(cè)材料的分子振動(dòng)在等離激元的強(qiáng)局域電磁場(chǎng)作用下獲得增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)待測(cè)材料的紅外吸收。臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)縱向剖面的放大圖如圖3a-3b所示。圖3a中的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)為盲孔301，且此種臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)能夠在石墨烯層上產(chǎn)生直角邊緣的結(jié)構(gòu)(302)，當(dāng)待測(cè)物質(zhì)306涂在石墨稀微納米結(jié)構(gòu)上，能夠增加與石墨稀結(jié)構(gòu)邊緣的接觸面積，而邊緣處的等離激元能夠有效增強(qiáng)待測(cè)物質(zhì)的紅外吸收強(qiáng)度。同樣的，圖3b中的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)為通孔303，其同樣也能產(chǎn)生直角邊緣的結(jié)構(gòu)。這些臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)的邊緣可以在紅外光激發(fā)下產(chǎn)生局域等離激元。前述襯底可選用但不限于硅片、玻璃、塑料、不銹鋼等硬質(zhì)或柔性襯底，用于支撐石墨稀微納米結(jié)構(gòu)。
[0032]電介質(zhì)層102沉積在襯底101之上，電介質(zhì)層102的材料選自NaCl，KBr, Csl,CsBr, MgF2，CaF2，BaF2，LiF, AgBr, AgCl, ZnS, ZnSe, KRS-5, AMTIR1-6，Diamond，Si02。優(yōu)選地，本發(fā)明具體實(shí)施例中用到的電介質(zhì)層